Руководство по программированию nxt

Время на прочтение
6 мин

Количество просмотров 50K

Здравствуйте. В своих статьях я хочу Вас познакомить с основами программирования микрокомпьютера LEGO NXT Mindstorms 2.0. Для разработки приложений я буду использовать платформы Microsoft Robotics Developer Studio 4 (MRDS 4) и National Instruments LabVIEW (NI LabVIEW). Будут рассматриваться и реализовываться задачи автоматического и автоматизированного управления мобильными роботами. Двигаться мы будем от простого к сложному.

Предвосхищая некоторые вопросы и комментарии читателей.

Почему именно NXT Mindstorms 2.0? Потому-что для своих проектов данный набор мне показался наиболее подходящим, т.к. микрокомпьютер NXT полностью совместим с платформами MRDS 4 и NI LabVIEW, а так же данный набор является очень гибким в плане сборки различных конфигураций роботов — затрачивается минимум времени на сборку робота.

Почему платформы MRDS 4 и NI LabVIEW? Так сложилось исторически. Обучаясь на старших курсах университета стояла задача в разработке учебных курсов с использованием данных платформ. К тому же платформы обладают достаточной простотой в освоении и функциональностью, с их использованием можно написать программу непосредственно для управления роботом, разработать интерфейс пользователя и провести тестирование в виртуальной среде (в случае с MRDS 4).

Да кому вообще нужны эти ваши уроки, в сети и так куча проектов по робототехнике! С использованием данной связки (NXT+MRDS 4/NI LabVIEW) учебных статей практически нет, в основном используется родная среда программирования, а в ней совсем все тривиально. Всем кому интересны робототехника, программирование и у кого есть набор NXT (а таких не мало), возрастная аудитория любая.

Графические языки программирования это зло, а те кто на них программируют еретики! Графические языки программирования коими и являются MRDS 4 и NI LabVIEW несомненно имеют свои минусы, например ориентированность под узкие задачи, но все же в функциональности они мало уступают текстовым языкам, тем более NI LabVIEW изначально разрабатывался как язык легкий в освоении для решения научных и инженерных задач, для этого в нем присутствует множество необходимых библиотек и инструментов. По-этому для решения наших задач данные графические языки являются наиболее подходящими. И не надо нас за это

сжигать на костре

презирать.

Все это выглядит по-детски и вообще не серьезно! Когда задача состоит в реализации алгоритмов, в обучении основам и принципам программирования, робототехники, систем реального времени без углубления в схемотехнику и протоколы, то это очень подходящий инструмент хоть и не дешевый (касаемо набора NXT). Хотя для этих же целей неплохо подойдут наборы на базе Arduino, но совместимости с MRDS 4 и NI LabVIEW у данного контроллера почти нет, а в данных платформах есть свои прелести.

Технологии, которые используются, являются продуктом загнивающих капиталистических стран, а автор враг народа и пособник западных заговорщиков! К сожалению, большинство технологий в области электроники и вычислительной техники родом с запада, буду очень рад если мне укажут на аналогичные технологии исконно отечественного производства. А пока будем использовать то, что имеем. И не надо на меня за это

сообщать спецслужбам

держать зла.

Краткий обзор платформ MRDS 4 и NI LabVIEW.

Внесу некоторую ясность в терминологию. Под платформой, в данном случае, имеется ввиду совокупность различных инструментов, например язык VPL в MRDS, а так же среда выполнения приложений, т.е. непосредственной компиляции приложений в исполняемые (*.exe) файлы нету.

В 2006 году Microsoft объявила о создании платформы Microsoft Robotics Developer Studio (более подробно в статье Википедии). MRDS – это Windows – ориентированная среда разработки приложений для робототехники и симуляции. В настоящее время актуальной является версия Microsoft Robotics Developer Studio 4. Среди особенностей: язык графического программирования VPL, Web – и Windows – ориентированные интерфейсы, среда симуляции VSE, упрощенный доступ к датчикам, микроконтроллеру и исполнительным механизмам робота, поддержка языка программирования C#, библиотеки для многопоточного программирования и распределенного выполнения приложений CCR и DSS, поддержка многих робототехнических платформ (Eddie, Boe — Bot, CoroBot, iRobot, LEGO NXT и т.д.).

LabVIEW (Laboratory Virtual Instrumentation Engineering Workbench) — это среда разработки и платформа для выполнения программ, созданных на графическом языке программирования «G» фирмы National Instruments (более подробно в статье Википедии). LabVIEW используется в системах сбора и обработки данных, а также для управления техническими объектами и технологическими процессами. Идеологически LabVIEW очень близка к SCADA-системам, но в отличие от них в большей степени ориентирована на решение задач не столько в области АСУ ТП (автоматизированные системы управления технологическим процессом), сколько в области АСНИ (автоматизированных систем научных исследований). Графический язык программирования «G», используемый в LabVIEW, основан на архитектуре потоков данных. Последовательность выполнения операторов в таких языках определяется не порядком их следования (как в императивных языках программирования), а наличием данных на входах этих операторов. Операторы, не связанные по данным, выполняются параллельно в произвольном порядке. Программа LabVIEW называется и является виртуальным прибором (англ. Virtual Instrument) и состоит из двух частей:

• блочной диаграммы, описывающей логику работы виртуального прибора;
• лицевой панели, описывающей интерфейс пользователя виртуального прибора.

Краткий обзор набора LEGO NXT Mindstorms 2.0.

Комплект NXT состоит из управляющего блока, четырех датчиков и трех сервоприводов. Управляющий блок содержит в себе:

• 32-битный микроконтроллер AVR7 с 256 КБайт FLASH памяти и 64 КБайт RAM памяти;
• 8-битный микроконтроллер AVR c 4 Кбайт FLASH памяти и 512 Байт RAM памяти;
• радиомодуль Bluetooth V 2.0;
• USB-порт;
• 3 разъема для подключения сервоприводов;
• 4 разъема для подключения датчиков;
• LCD дисплей разрешением 99×63 пикселей;
• динамик;
• разъем для 6 батареек типа AA.

Датчики (в разных комплектациях разные наборы датчиков ):

• ультразвуковой датчик;
• два тактильных датчика (датчики касания);
• датчик опредения цвета.

Рисунок 1 — Микрокомпьютер NXT с подключенными датчиками и приводами

И конечно же в наборе находятся разнообразные детали LEGO в форм-факторе LEGO Technic из которых будут собраны исполнительные механизмы и несущая конструкция.

Рисунок 2 — Детали в форм-факторе LEGO Technic

Пишем первое приложение.

Напишем первое приложение. Пусть, классически, данное приложение выводит текст “Hello, World!”. Реализация будет происходить поочередно в MRDS 4 и NI LabVIEW, в процессе будем рассматривать специфику каждой платформы.

Предварительно инсталлируем платформы MRDS 4 и NI LabVIEW, в случае с MRDS 4 инсталляция должна проводится в папку путь к которой не состоит из кириллицы (русских букв), учетная запись пользователя так-же должна состоять только из латинских букв.

1. Платформа MRDS 4.

Запускаем среду VPL (Меню Пуск — Все Программы — Microsoft Robotics Developer Studio 4 — Visual Programming Language). Данная среда позволяет разрабатывать приложения на языке VPL, проводить тестирование в виртуальной среде VSE. Программа в VPL представляет собой диаграмму, состоящую из соединенных между собой блоков. В открывшемся окне, помимо стандартной панели команд и меню, присутствует 5 основных окон:

1. Basic Activities – содержит базовые блоки, которые реализуют такие операторы как константа, переменная, условие и т.д.;
2. Services – содержит блоки, предоставляющие доступ к функционалу платформы MRDS, например блоки для взаимодействия с какой-либо аппаратной составляющей робота, или блоки для вызова диалогового окна;
3. Project – объединяет диаграммы входящие в проект, а так же различные конфигурационные файлы;
4. Properties – содержит свойства выделенного блока;
5. Diagrams window – содержит, непосредственно, диаграмму (исходный код) приложения.

Рисунок 3 — Среда программирования VPL

Выполним следующую последовательность действий:

1. добавим блоки Data (из окна Basic Activities) и блок сервиса Simple Dialog (из окна Services),
2. в блок Data введем “Hello, World!” (без кавычек) и выберем тип данных String,
3. соединим блок Data с блоком Simple Dialog, появиться диалоговое окно,
4. далее, все выполняем как на рисунках

5. 

   Рисунок 4 — Окно Connections

6. 

   Рисунок 5 — Окно Data Connections

7. 

   Рисунок 6 — Законченный вид диаграммы

8. Запустим программу на выполнение.

   

   Рисунок 7 — Результат выполнения программы

2. Платформа NI LabVIEW.

На данной платформе все реализуется, практически, идентично. Запустим среду LabVIEW. Перед нами появиться два окна, первое — Front Panel, предназначено для реализации интерфейса пользователя (внешнего вида виртуального прибора), второе — Block Diagram, для реализации логики программы.

Рисунок 8 — Окна среды LabVIEW

Мы будем использовать окно Block Diagram. Выполним следующие шаги:

1. в окне Block Diagram вызовем контекстное меню, нажатием правой кнопкой мыши,
2. в появившемся окне перейдем по вкладкам, как на рисунке и выберем String Constant,

   

   Рисунок 9 — Контекстное меню

3. разместим данный блок и введем «Hello, World!»,
4. аналогичным образом выберем блок One Button Dialog,

   

   Рисунок 10 — Блок One Button Dialog

5. соединим блоки как показано на рисунке,

   

   Рисунок 11 — Готовая диаграмма

6. запустим программу, нажав кнопку в виде горизонтальной стрелки на панели задач,

   

   Рисунок 12 — Результат выполнения программы

Резюме

• Мы сделали обзор программных платформ для разработки приложений микрокомпьютера NXT.
• Мы рассмотрели основные принципы разработки приложений в платформах MRDS 4 и NI LabVIEW.
• Познакомились с интерфейсом сред.

В следующих статьях мы будем заниматься непосредственно программированием NXT. По среде LabVIEW в сети есть много учебных материалов, по VPL гораздо меньше. Очень рекомендую изучить справочное руководство обеих платформ (необходимо знание английского), в данных руководствах очень много примеров которые можно реализовать и не имея NXT, а так же следующие книги:

• Программируем микрокомпьютер NXT в LabVIEW — Лидия Белиовская, Александр Белиовский,
• Microsoft Robotics Developer Studio. Программирование алгоритмов управления роботами — Василий Гай.

В своих статьях я буду описывать только свои проекты, т.к. не вижу смысла переписывать информацию из одних источников в другие. Приму любую конструктивную критику, отвечу на любые вопросы касаемо рассмотренных платформ. Заранее спасибо!

Содержание

1.    
Введение

Способность NXT – робота выполнять любое задание:
что бы ни было  — следовать линии, бросить мяч или пометать пол не является
информацией. Необходимо снабдить робота специальными инструкциями, которые
будут диктовать ему, что делать: нужно запрограммировать робота. Программирование
NXT включает
написание программы на компьютере, и затем перенос в микроконтроллер, «мозг»
робота, который запускает и выполняет программу. Программы должны сообщать NXT, как
моторам работать, как датчикам получать информацию, как динамику играть звук и
т.д.

Подходя к программированию NXT. первым делом
обратим внимание на официальный язык NXT— G, включенный в
пакет LEGO MINDSTORMS NXT ,
поставляемый вместе с конструктором NXT— G – это графический
язык программирования  в котором программы можно создавать с помощью нажатия
клавишей мыши и перетаскивания блоков вида на экране (G —  graphical, 
графический). NXT— G довольно прост в использовании, но требует больших
ресурсов компьютера и занимает много памяти. Далее будут рассмотрены еще две
среды программирования NXT, которые работают быстрее, но могут оказаться менее
достаточны читателю.

В этой главе, во –первых, исследуем интерфейс NXT— G, который
играет важную роль в процессе создания программы. Во – вторых, обсудим
некоторые базовые понятия языка NXT— G, которые
необходимы для успешного программирования. В – третьих, рассмотрим готовые
примеры из Robo Center.

В некоторых случаях среду программирования LEGO MINDSTORMS NXT для
краткости будем называть LMN.

2.    
Знакомство с NXT – G.

При запуске LEGO MINDSTORMS NXT появляется
основной экран, откуда можно перемещаться к другим разделам. Начинающим
настоятельно рекомендуем просмотреть краткие интерактивные руководства Getting Stated b Software Overview.

Чтобы увидеть интерфейс NXT— G и начать с ним
работу, необходимо  создать новую программу или открыть существующую.

Замечание.
 Предполагаем,
что уже установлено программное обеспечение, поставляемое вместе с NXT  —
набором, и успешно проведено USB – или Bluetooth – соединение
между компьютером и NXT . В случае несоответствия или сбоев
операционной системы микроконтроллера следует воспользоваться разделом главного
меню  Tools          Update NXT Firmware.

Новая программа.

Чтобы создать новую программу, напишите ее название в рамке
под словами Start New Program и затем нажмите кнопку Go>>. Чтобы открыть
просто существующую программу,  в которой вы недавно обращались просто выберите
программу из ниспадающего меню под словами Open Recent Program  и затем нажмите
кнопку Go>>.

Поскольку изначально не существует программы, напишите Fire Program  в поле под словами Start New Program  и
нажмите кнопку Go>>, чтобы создать
новую программу с именем Test Program.

Замечание. Можно создать
новую программу, выбрав  File      New нажимая при этом
сочетание клавиш Ctrl – N(для Windows) или CMD—N(для Mac).

3.    
Интерфейс NXT-G.

Интерфейс NTX—G появляется, как только создана или
открыта программа (Robo Center уменьшает обзор интерфейса, можно
временно закрыть его). В результате получаем окно программы, состоящее из
четырех основных прямоугольников: рабочее поле программы, на котором расположен
командный центр, палитра команд, окно настройки параметров команд и окно
просмотра общего вида программы. Кроме того, сверху находиться главное меню и
пиктограмма оранжевой прямоугольной балки, по которой можно вернутся в Robo Center. Стрелкой
на рисунке показана пиктограмма перехода к Полной палитре команд.

Перетаскивая блоки из палитры команд на рабочее поле, можно
создать программу. При этом близлежащие блоки автоматически связываются
проводами, похожими на гладкие балки серии Technic, создавая
последовательность выполнения команд. Этими же балками, придерживая клавишу Shift, можно
строить ответвления параллельных задач.

В окне настройки параметров команд указывается, к какому
порту подсоединено устройство, а также в каком диапазоне работает. Внесенные
параметры в виде миниатюрных пиктограмм отображаются на блоках команд в
программе.

Рассмотрим пиктограмму блока управления моторами «Moto block»,
параметры которого приведены в окне настройки.

Буквы в правом верхнем углу блока(1) показывают, какие из
портов устройства NXT  будут контролироваться. Пиктограмма «стрелка»(2)
дает направление движения робота. Пиктограмма «индикатор мощности» (3)
показывает уровень мощности. Скорость робота может также зависеть от прочих
условий, например поверхности, по которой он движется,  а также движения  в
гору или под гору. Пиктограмма (4) определяет значение, установленные для
характеристики «Продолжительность» вращения: без ограничений, градусы, обороты
или секунды.

У большинства блоков имеются концентраторы данных, которые
по умолчанию спрятаны. Для извлечения концентратора достаточно щелкнуть мышкой
по кнопке в левой нижней части блока, помещенного в рабочую область.

    Как правило, шина данных создается между
двумя концентраторами. На подключаемых разъемах один из них должен возвращать
данные, а другой принимать. Если шину подключить неправильно, на несовместимые
разъемы, то она будет выглядеть поврежденной, в виде пунктирной линии.

4.    
Ветвления

Есть несколько специфических блоков, которые стоит
упомянуть. Первый из них Блок принятия решений, или Ветвление.

В приведенном примере (рис. слева) в зависимости от
состояния датчика нажатия (1) выполняется либо верхняя ветвь (2- если нажат),
либо нижняя(3- если отпущен).

Любое
ветвление с помощью окна настройки параметров можно перенастроить на другое
условие. Например, можно принимать решение на основании некоторого значения
(рис. справа), подаваемого на специальный разъем. В этом случае значение должно
поступить по логической или числовой шине данных, от какого – то другого блока.

Ветвление может отображаться в двух режимах: когда видны
обе ветви (и Да, и Нет), как на рисунке, или с отображением только одной из
выбранных ветвей. Это может быть полезно для экономии места на экране, которого
в NXT—G
катастрофически  не хватает. Режим определяется установкой флажка «flat view» в левой
нижней части окна настройки параметров.

5.    
Циклы

Следующий блок, с которым стоит познакомиться, это цикл.
Как правило, в NXT—G используются циклы либо с параметром,
либо с постусловием.

В качестве условия в правом нижнем углу пиктограммы (1)
указывается режим повторений. В примере слева цикл работает бесконечно. Кроме
того, циклы бывают с фиксированным числом повторений, по значению таймера,
значению датчика, значению переменной.

 В приведенном примере моторы В и С работают до тех пор,
пока на датчике освещенности на 3 –м порту не будет показано значение больше
50. При этом включен режим вывода значение счетчика повторений, и программист
может подсоединить шину данных к разъему в левом нижнем углу пиктограммы цикла.

6.    
Переменные

Для использования переменных  в NXT –G предусмотрен
блок Variable, находящийся в палитре Data.

К единственному разъему  у него можно подключить шину
данных, по которой будет передаваться значение.

Направление передачи на чтение или запись в значение
переменной настраиваются в параметрах блока. По умолчанию присутствуют всего
три типа переменных : логика, число и цвет.

Программист может создать свою переменную, воспользовавшись
пунктом главного меню Edit -> Define Variables.

Для того чтобы самостоятельно начать программировать этого
уже достаточно. Если же читатель заинтересуется глубже, он может заглянуть в
Полную палитру, добавить дополнительные блоки, создать свои блоки и многое
другое. Среда языка NXT –G обладает массой возможностей и
представляется весьма полезным инструментом для изучения программирования NXT –
роботов начинающими. Если же не появилась уверенность в своих силах, милости
просим в Robo Center!

7.    
Robo Center.

Раздел  Robo Center содержит четыре модели разработанных
компанией «Лего» специально для пользователей NXT .
перейдя к любой из них, можно получить исчерпывающее руководство по сборке и
составлению  простейших программ для этих моделей. Эти разделы стоит пройти
любому счастливому обладателю конструктора, поскольку в них не только можно
найти неплохой самоучитель, но и понять некоторые принципы, заложенные
создателями LEGO MINDSTORMS NXT в свое детище.

Собирая модель по инструкции, не забудьте раскрыть окно Robo Center  на
весь экран, чтобы лучше видеть мелкие детали и соединения.

Обладатели конструктора 9797 и программного обеспечения, к
сожалению, не имеют возможности  собрать эти модели инструкции, поскольку ее
там нет. Но зато предлагается несколько десятков неплохих уроков со стандартной
учебной моделью, которые, же можно пройти самостоятельно.

 Сконструировав модели и разобравшись в принципе их
функционирования, программы можно составить и в любой другой из сред.

TriBot.

TriBot — это трехколесный движущийся робот. Он использует
преимущества всех четырех датчиков, чтобы сделать то, что он запрограммирован. TriBot может
поднимать мяч, когда получит голосовую команду. Также он может быть
запрограммирован на движение по линии. Он может ощущать объекты и имеет систему
зрения.

Датчики и элементы, которые использует TriBot:

·        
Контроллер NXT;

·        
Ультразвуковой датчик;

·        
Датчик звука;

·        
Датчик прикосновения;

·        
Датчик счета;

·        
Три сервомотора.

Рассмотрим пример программы, которая просто и быстро
заставит TriBot двигаться по черной линии. Пусть левый мотор подсоединен
к порту С,  правый к порту В,  а датчик освещенности на 3 порт.

В этой программе сначала (1) дается команда мотору С
двигаться без ограничения вперед с мощностью 50 %. Мгновенно запускается цикл
(2), в котором постоянно проверяются показания датчика освещенности (3) и
корректируется мощность мотора В(4 и 5) с помощью ветвления. Если освещенность
под датчиком выше 50% (белый цвет), то выполняется верхняя ветвь (4): мотор В
сбавляет мощность до 25 %. Если освещенность под датчиком ниже 50% (черная линия),
то выполняется верхняя ветвь (4): мотор В набирает мощность до 75 %. Таким
образом, либо робот движется направо в поисках черной линии, либо налево,
стараясь съехать с нее белое поле. Очевидно, что для эффективного выполнения
алгоритма робот должен стартовать, когда его датчик находится по левую сторону
от линии, практически на границе с белым. Подобные устройства, называемые
релейными регуляторами, будут подобно рассмотрены в главе, посвященной
алгоритмам управления.

Robo Arm.

   Robo Arm T-56 – это сложная робоподобная рука, которая может
поднимать, поворачивать и захватывать объекты, используя для этого свои ноги.
Он может различать цвета и ощущать объекты. Для того чтобы робот двигался,
используются три мотора – один управляет тремя захватами, а два других
используются для поворотов и движения вверх и вниз.

Датчики и элементы, которые использует Robo Arm T-56:

µ      
Контроллер NXT

µ      
Датчик прикосновения

µ      
Датчик света

µ      
Три сервомотора.

Вот пример программы, которая заставит робота распознавать
и захватывать красный или синий шарик.

В этой программе мотор А(1) открывает когти, мотор В(2)
опускает руку на шарик, после чего мотор А(3) захватывает шарик когтями. После
производиться проверка цвета шарика (4): для датчика освещенности синий темнее
красного. Если шарик оказался красным, выполняется верхняя ветвь алгоритма (5):
NXT издает
соответствующий красному сигнал, мотор С возвращает руку. При синем шарике (6)
издается сигнал «синего» и шарик сразу выбрасывается мотором А на негодный.
После ветвления мотор В(7) возвращает руку в исходное положение.

Spike.

Spike реагирует на все, как настоящий скорпион. Он крадется на
шести ногах и имеет крепкие клешни. Он также может видеть и слышать, используя
ультразвуковой датчик и датчик звука. Кроме того, Spike умеет
быстро и точно «парализовать» жертву, касаясь ее датчиком прикосновения.

Датчики и элементы, которые использует Spike:

µ      
Контроллер NXT

µ      
Ультразвуковой датчик

µ      
Датчик звука

µ      
Датчик прикосновения

µ      
Три сервомотора.

Рассмотрим программу, которая просто и быстро заставит идти
к цели, поразить ее хвостом, играя при этом музыку, и вернуться на место.

В этой программе скорпион движется в перед на 10 оборотов
моторов С и В(1). Затем с помощью мотора А(2) он наносит удар хвостом до тех
пор, пока не коснется жертвы «жалом», т.е. пока не сработает датчик касания на
кончике хвоста(3). После успешного «укуса» NXT играет музыку (4), хвост
возвращается назад (5) и скорпион пятится в исходную позицию(6). Если же кнопка
не убедит, нажата во время удара, то робот «застрянет» в ожидании срабатывания
датчика, а его создателю придется пожертвовать пальцем, чтобы продолжить
выполнение программы.

Alpha Rex.

Alpha Rex умеет делать то, что под силу только самым разным
роботам – адроидам. Он ходит на двух ногах, почти как настоящий человек. В его
ноги встроена пара сервомоторов, которые позволяют ему двигаться, а
ультразвуковой датчик дает роботу возможность видеть препятствия. На руках у Alpha Rex находятся
датчики звука и прикосновения.

Датчики и элементы, которые использует Alpha Rex:

µ      
Контроллер NXT

µ      
Ультразвуковой датчик

µ      
Датчик звука

µ      
Датчик прикосновения

µ      
Два сервомотора.

Вот пример стандартной программы, которая просто и быстро
заставить Alpha Rex ходить, а его сердце – биться.

В данной программе одновременно запускаются две
параллельные задачи. В первой из них содержится бесконечный цикл (1),в котором
в дисплее NXT поочередно отображаются две различные картинки бьющегося
сердца (2) с промежутком 0,5 секунды (3). Во второй задаче ветвь которой
отходит вниз и вправо, осуществляется движение вперед с помощью заданного числа
оборотов моторов С и В (4). Можно продолжить действие, добавив свои собственные
блоки (5).

8.    
Программирование в Robolab.

Robolab 2.9 – это многофункциональная графическая среда
программирования, созданная на основе Lab View 7.0 и ориентированная на самые
разные возрасты – от дошкольников до студентов. Текущая версия Robolab позволяет
программировать несколько типов микроконструкторов – Control Lab, RCX,NXT, а также
проводить независимые расчеты на компьютере. Следует заметить для тех, кто
работал в RCX, но новая прошивка (Firmware) для него работает
в 100 раз быстрее, правда загружается также долго (4-5 мин). Следует обратить
внимание на дань прошлому со стороны разработчиков: некоторые пункты меню
содержат название RCX, но подразумевают также и работу с NXT.

При запуске Robolab предлагает три
уровня работы: Администратор, Программист и Исследователь.

Режим Администратора позволяет настраивать контроллер на
работу со средой.

Режим Программиста позволяет непосредственно создавать
программы и загружать  их в микрокомпьютер. Режим Исследователя  позволяет
осуществлять запись данных поступающих с датчиков микроконтроллера, с их
последующим анализом. Рассмотрим каждый из режимов подробнее. 

Режим «Администратор».

Первое, что следует сделать администратору – выполнить
«Проверку связи с RCX» (подразумевается NXT). Есть три варианта исхода:
успешное завершение со звуковым сигналом на микроконтроллере, сообщение о
необходимости сменить операционную систему (ОС NXT или, иначе
говоря, Firmware) и
сообщение об ошибке связи.

Если связь компьютера и NXT не появилась сразу, следует
воспользоваться меню «Select Port» для выбора USB – порта.
Лучше всего выбрать автоопределение и выключить NXT, убедиться, что
он хорошо соединен, и снова включить.

Для поддержки новых возможностей NXT
дополнительные установки добавлены в таблицу «Установка RCX/NXT».  Здесь
можно выбрать имя NXT, имя файла загружаемой в NXT
программы. По умолчанию используется rbl. Допускается использовать до шести
символов  или можно задать его из программы с использованием расширенного NXT светофора
(блок NXT begin).

Поскольку Robolab поддерживает несколько устройств (RCX,NXT),
диалоговое окно «Choose Hardware» добавлено в установку автоопределения.
Оно может появляться в разных ситуациях при повторе связи с NXT,  и этого
не надо бояться. Надеюсь, выбор будет очевиден.

Режим «Программист».

Раздел программиста делиться на два: Pilot и Inventor, что не
совсем удобно  переведено как Управление и Конструирование.

Следовало
бы назвать эти разделы Новичок и Изобретатель. Можно было бы пройти их
последовательно, постепенно окунаясь в среду графического программирования.
Однако нет препятствий для того, чтобы начать сразу с последнего уровня Inventor
4, в котором представлены все основные возможности программирования  среды Robolab.
Для  перехода на этот уровень необходимо дважды щелкнуть по надписи Inventor
4, не касаясь подразделов.

9.    
Основные окна.

Итак, мы зашли в среду программирования. На экране два
основных окна, относящихся к одному проекту: Front Panel и Block Diagram. Первое
(передняя панель) для программирования не пригодиться, хотя его можно
использовать в режиме Исследователя. Второе окно, в котором уже расположены две
пиктограммы светофоров( Рабочее поле программы), предназначено для составления
программы. Его стоит распахнуть на весь экран и приступить к работе.

Два вспомогательных окна:Tools Palette и Functions Palette, —
содержат все необходимое для составления программы. В случае закрытия их снова
можно вывести на экран через пункт Windows верхнего меню.

 Программа в Robolab похожа на блок –
схему, положенную на левый бок. Она читается слева направо, хотя блоки располагать
можно как угодно. Блоки команд находятся в окне Functions Palette(Палитра
команд). Они связываются между собой проводами,  а также управляются
инструментами, находящимися в меню Tools Palette (Палитра
инструментов).

Название любого блока в Functions Palette можно прочитать в
верхней части окна, подведя к нему курсор. Кроме того, под заголовком окна
находиться кнопка Seach(Поиск),  с помощью которой можно найти
пиктограмму по названию.

Некоторые из пиктограмм сами являются палитрами и при
переходе открывается новое окно. Вернуться в предыдущее можно по стрелочке,
расположенной в левом верхнем углу палитры рядом с кнопкой Seach.

10.
Готовые примеры программ.

Одним из новшеств Robolab 2.9 является
палитра примеров Behaviors.

Это блоки, содержащие в себе готовые части программ под
определенные задачи. Например, блок Go Straight (двигаться прямо)
запускает моторы А и С вперед и через одну секунду выключает их.

Однако для запуска этого фрагмента программы его надо
обязательно поместить между светофорами, соединив их проводами.

Палитра Behaviors содержит ряд серьезных примеров
программирования в Robolab, по которым можно самостоятельно многому
научиться. Некоторые из таких примеров будут рассмотрены ниже.

11.
Взаимодействие с NXT.

 В режиме Программист могут потребоваться настройка USB – подключения
NXT(соединение
с компьютером через Bluetooth не поддерживается) и загрузка
операционной системы. Это реализуется через меню Projects, которое
для опытного робототехника содержит много интересного.

Рассмотрим некоторые возможности.

Пункт меню Project -> Select COM Port позволяет выбрать порт USB – подключения
NXT.

Пункт меню Project ->Detective  позволяет не только
выбрать соответствующий порт подключения NXT, но и загрузить Firmware,если оно
не было сделано в режиме Администратор. Во время загрузки ОС у NXT пропадает
изображение на экране, но в течение минуты категорически нельзя предпринимать
никаких действий над контроллером.

Когда ОС загружена, стандартная программа, попавшая в
память NXT,
размещается в разделе My files-> Software Files и получает имя rbl. Для того
чтобы дать другое имя, следует в программе Robolab заменить
начальный блок – зеленый светофор – на аналогичный с надписью NXT из
палитры NXT. на таком
блоке в специальном розовом прямоугольнике можно задать латинскими буквами и
цифрами любое имя программы, причем значимыми будут не более шести первых
символов.

Не забывайте сохранять свои программы на диске компьютера,
давая им запоминающиеся имена. Когда в другой раз попытаетесь открыть
сохраненную программу и увидите черное окно, не пугайтесь: чтобы перейти к
алгоритму, необходимо выполнить пункт меню Window-> Show Block Diagram.

12. Типы команд.

Блоки Functions Palette можно
классифицировать следующим образом:

µ      
Команды действия

µ      
Команды ожидания

µ      
Управляющие структуры

µ      
Модификаторы.

Начнем  с простейших команд. Их можно разделить на два
типа: Жди и Делай.

Команды типа «Делай» посылают управляющий сигнал на одно из
устройств управления микроконтроллера. Например, «включить моторы», «остановить
моторы», «издать звуковой сигнал», «отправить сообщение», «обнулить таймер» и
т.п.  Это действие, как правило, выполняется практически мгновенно (за
исключением звуковых сигналов) после его программа переходит к следующему
блоку. Следует заметить, что включенный мотор продолжает работать до тех пор,
пока не выполниться команда выключения или программа не закончиться.

Команды типа «Жди» ведут себя иначе. Они не выполняют
никакого ощутимого действия, хотя и активно взаимодействуют с оборудованием NXT.эти
команды останавливают ход выполнения программы (точнее, задачи) вы ожидании
некоторого события. Как только событие происодит, управление переходит к
следующей команде. Примеры таких команд: «жди громкого звука», «жди яркого
света». «жди заданного времени» и т.д. Во время выполнения команды «Жди» все
запущенные ранее процессы (включенные моторы и т.д.) продолжают работать.

Следующий тип блоков – это управляющие структуры. Среди них
представлен основной джентельменский набор программиста:

µ      
Ветвления

µ      
Циклы и безусловные переходы

µ      
Подпрограммы

µ      
Параллельные задачи

µ      
Обработчики событий.

И, наконец, вспомогательный тип блоков – модификаторы. Они
по сути являются параметрами для выполнения различных команд и прикрепляются к
блокам команд разноцветными проводами.

Практически все блоки, оставшиеся в Robolab со времен
RCX, пригодны
для NXT. Но при
этом появилась часть новых блоков, относящихся преимущественно к датчикам NXT, а также
расширяющий функциональные возможности Robolab для обеих систем.
Следует заметить, что между датчиками, моторами и микроконтроллерами сохранена
совместимость «снизу вверх», так что практически во всех случаях можно
использовать старые датчики и моторы с новым микроконтроллером. Только для
этого нужны соответствующие переходники, которые входят в состав набора 9797, 
а также продаются отдельно.

13. Команды действия.

Команды
действия применимы к управляющим устройствам NXT. К ним можно
отнести:

µ      
Моторы

µ      
Динамик

µ      
Таймеры

µ      
Встроенная память (контейнеры)

µ      
Датчики при инициализации и др.

14.
Список литературы

1.       
Lego®Mindstorms®Education

2.       
Жимарши
Ф. Устройства управления робота./Ф.Жимарши. пер.с.фр. М.А.Комаров. – М.,
НТ-Пресс,2007.- 288с.:ил.

3.       
Филлипов
С.А. «Робототехника для детей и родителей»./С.А. Филлипов. — С-П.: «Наука»,2010

—>

Автор:

Вязовов Сергей Михайлович, заведующий кафедрой информатики МАОУ «Лицей №14 имени Заслуженного учител Российской Федерации А.М.Кузьмина» г.Тамбова

1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ

Ультразвуковой датчик часто используется для обнаружения препятствия во время движения.

Для понимания сути вопроса рассмотрим задачу остановки робота в 10 сантиметрах от стены.

 Реализация программы:

Настройка блока движения:

Настройка блока ожидания состояния ультразвукового датчика:

В последнем блоке задаётся отключение моторов робота.

Задачи:

1. Реализуйте алгоритм работы робота, по которому, достигнув стены он разворачивается на 180°, и едет в течение 5 секунд в противоположном направлении.
2. Реализуйте алгоритм работы робота, который движется вокруг коробки высотой 50 см.

Робот-охранник

Задача. Необходимо разработать алгоритм работы робота, охраняющего коробку, находящуюся на расстоянии не более 15 см, в соответствии с которым, как только коробку попытаются унести (расстояние от робота до коробки станет более 15 см), он должен начать издавать звуковой сигнал.

Реализация:

Решение задачи заключается в следующем:

В бесконечном цикле происходит выполнение двух блоков:

1. Блок «Wait» (ожидание состояния ультразвукового датчика) с параметром «Until» расстояние до объекта («Distans») больше 15 см.
2. Блок «Sound» (звуковой сигнал).

Как только расстояние от робота до коробки превысит 15 см (1), проигрываем звук (2) и снова переходим к ожиданию состояния ультразвукового датчика (1). Если объект на место не вернули, то снова издаём звуковой сигнал (2). И так до «бесконечности».

Задача:

В нашей программе робот охраняет объект, который находит в зоне его видимости. Сконструируйте механизм, который будет вращать ультразвуковой датчик вокруг робота и издавать сигнал при приближении к нему другого объекта.

2. ОРГАНИЗАЦИЯ ДВИЖЕНИЯ РОБОТА ПО ТРАЕКТОРИИ

Движение по прямой

Движение по прямой в течение некоторого периода организуется при помощи блока «Move». За продолжительность движения отвечает параметр «Duration», значение которого может быть задано в градусах, в оборотах мотора вокруг своей оси, и в секундах.

Организация поворота

Если одно колесо робота вращается быстрее другого, то есть смещён ползунок мощности моторов в сторону одного из них, то робот едет не по прямой, а по дуге. Чем больше смещение ползунка мощности мотора, тем меньше радиус дуги. При полном смещении ползунка робот начинает вращаться вокруг одного колеса, что лежит в основе решения задач поворота робота на заданный угол.

Задачи:

1. Организуйте движение по окружности (подберите количество оборотов, которое необходимо задать, чтобы робот описал полную окружность).
2. Организуйте поворот робота на одном колесе на угол 90 градусов.
3. Организуйте движение робота по периметру квадрата.

Движение робота по спирали

Идея движения по спирали заключается в том, что через одинаковые промежутки времени робот начинает двигаться по окружности всё с большим и большим радиусом.

Программное это выглядит следующим образом:

Для каждого блока движения необходимо задать параметры:

1. смещение мощности моторов;
2. мощность моторов;
3. продолжительность движения.

Мощность моторов для всех блоков одинакова, остальные параметры плавно увеличиваются от блока к блоку.

3. ОБНАРУЖЕНИЕ ЧЁРНОЙ ЛИНИИ

Задача заключается в реализации алгоритма движения робота до чёрной линии.

Для организации движения достаточно одного блока управления моторами со значением параметра продолжительности движения «Unlimited».

Следующим блоком в программе будет блок ожидания состояния датчика освещённости (или датчика цвета). Движение будет происходить до тех пор, пока не наступит состояние, задание в параметре «Until». Значение состояния, соответствующего положению датчика над чёрной линии, подбирается экспериментальным путём и зависит от многих факторов, таких как: уровень внешней освещённости, высота датчика над чёрной линией, генерируемый датчиком свет и др.

Если программа запущена с подключенным роботом к компьютеру, то для блока ожидания данных мы сможем наблюдать текущее значение, получаемое сенсором. Это позволит наиболее точнее отладить нашу программу.

Обратите внимание, что после достижения требуемого состояния (в нашем примере – уровень отражённого света стал меньшим 35%, то есть мы достигли чёрного цвета), робот должен перейти к следующему блоку. Если его нет, робот может не остановиться и продолжить движение ещё в течении небольшого времени. Чтобы этого не случилось, можно добавить блок управление движением моторов в режиме «Stop»:

Задачи:

1. Робот движется до чёрной линии. После её достижения, он останавливается на 5 секунд, после чего продолжает движение до следующей чёрной линии, затем останавливается.
2. Робот движется до чёрной линии. После её достижения он разворачивается на 360̊ и продолжает движение в течении 5 секунд.

4. РАБОТА С ПЕРЕМЕННЫМИ

Создание и удаление переменных

Создать и удалить переменные можно, вызвав диалоговое окно «Edit Variables» пункта меню Edit – Define Variables.

Для использования переменных (для записи в них значения и чтения из них значения для передачи в другой блок) в программе нам понадобятся контейнеры (блок «Variables»). Они расположены в группе блоков «Data».

Передача значений сенсоров в переменную

Для того чтобы передать текущее значение считанное сенсором уровня освещённости (или сенсором цвета, работающего в режиме сенсора освещённости) в переменную EtalonLight нам понадобится блок «Light Sensor» (или «Color Sensor»), расположенные в группе блоков «Sensor» и блок «Variables» с именем переменной EtalonLight.

Для того чтобы передать значение уровня освещенности, необходимо соединить параметр «Intensity» (для Ligth Sensor) или параметр «Detected Color» (для Color Sensor) с входом «Read» блока переменной путем протаскивания мыши.

В программе это выглядит следующим образом:

Для того, чтобы данные с датчика освещённости (или датчика цвета) успели передаться в переменную, часто после блока переменой помещают блок ожидания сенсора касания. На соревнованиях такая кнопка осуществляет старт робота, а все блоки, которые расположены до неё осуществляют калибровку робота под текущие внешние факторы.

Чтение данных из переменной

Очевидно, что данные в переменную можно не только записать (Write), но и считать (Read). Считанные данные из переменной можно передать в другую переменную, передать как параметр в условие или цикл, применить к ним математические или логические операции.

1. Производится передача данных (то есть запись) значения ультразвукового датчика в переменную Etalon.
2. Значение переменной Etalon считывается (выход «Read») и передаётся в переменную Double (вход «Write»).
3. Значение переменной Double считывается (выход «Read») и передаётся в качестве аргумента А блока «Math» с операцией «Addition», осуществляющий сложение с константным значением аргумента B.
4. Результат операции сложения (Addition) передаётся, как параметр, в блок Switch.

Значение логической переменной можно использовать в качестве параметра, определяющего время работы цикла.

Рассмотрим пример, в котором цикл завершает свою работу, как только значение ультразвукового датчика становится меньше 10.

1. В процессе движения робота в цикле происходит постоянно считывание ультразвуковым датчиком расстояния до объекта, которое передаётся в качестве аргумента А в блок сравнений (Compare).
2. Результат сравнения текущего значения ультразвукового датчика (аргумент А) с константным значением (аргумент В) передаётся в логическую переменную Logic1 (вход «Write»).
3. Текущее значение логической переменной передаются как параметр в цикл. Если это значение истинно, то цикл завершает свою работу.

Значения переменных можно передавать в значения опций моторов или датчиков.

Рассмотрим пример управления скоростью моторов с помощью переменных, на примере организации равноускоренного движение робота.

1. В переменную Power записываем начальное значение, равное 10.
2. В бесконечном цикле значение переменной Power передаём (выход «Write») в параметр мощности моторов (вход «Power»).
3. Затем значение переменной при помощи операции Addition блока Math к значению переменной Power добавляется константное значение аргумента B, равное 10.
4. Через 2 секунды возвращаемся к началу цикла (2).

5. МОДИФИКАЦИЯ АЛГОРИТМА ОБНАРУЖЕНИЯ ЧЁРНОЙ ЛИНИИ

Идея реализации программного решения состоит в том, что робота сначала помещают датчиком освещённости над чёрной линией и берут, так называемую, эталонную пробу. Это позволит избежать конфликта с изменяющимся внешним освещением и необходимостью каждый раз менять программу. А затем уже текущее значение отражённого света сравнивают с эталонной пробой.

Очевидно, что эталонную пробу придётся где-то хранить. Для этого используются переменные.

Таким образом, полная программа движения до чёрной линии с остановкой будет выглядеть таким образом:

Порядок работы программы:

1. Робот помещается так, чтобы датчик освещённости был расположен над чёрной линией и запускается программа, первые два блока которой выполняют калибровку робота и значение сохраняется в переменную EtalonColor.
2. Робот переносится в место старта и ожидается нажатие кнопки на датчике касания, осуществляющей старт робота.
3. В нашей программе старт будет осуществлён с пятисекундной задержкой.
4. Движение робота осуществляется в бесконечном цикле. Постоянно считывается текущее показание датчика и оно сравнивается с эталонным. (Блок сравнения, математический блок и блок логических операций расположены в группе блоков «Data»).
5. Результаты сравнения в виде логического параметра (истина/ложь) передаются в блок выбора «Switch».
6. Если результат сравнения оказался истинным, то есть текущий уровень освещённости меньше эталонного, то мы достигли чёрной линии и нужно остановить моторы.
7. В противном случае мы ещё не достигли чёрной линии и нужно продолжить движение.

6. ДВИЖЕНИЕ ВДОЛЬ ЧЁРНОЙ ЛИНИИ

Рассмотрим алгоритмы движения робота вдоль чёрной линии. Эти алгоритмы основаны на понятии регуляторов.

Под регулятором будем понимать некоторое программное решение, которое управляет моторами робота, не позволяя ему покидать чёрную линию. Робот, в процессе своего движения считывает показания датчика освещённости и при их изменении изменяет мощность моторов. В результате робот постоянно поворачивает то в одну, то в другую сторону.

Пусть переменная motor – это первоначальная скорость моторов. При старте робота эта мощность одинаковая для обоих моторов. Переменная UP – это управляющее воздействие на моторы робота. Тогда, для того, чтобы робот начинал поворачивать к чёрной линии или уходить с неё, необходимо на один мотор подать мощность motor + UP, а на другой мотор motor – UP.

В теории управления существует несколько видов регуляторов. Мы рассмотрим два самых простых: релейный регулятор и пропорциональный регулятор.

Для организации любого регулятора нам понадобится правильным способом разместить робота над чёрной линией.

Для начала обратим внимание, что человек и робот видят чёрную линию по-разному. У человека границы чёрной линии и белой чёткие, а у робота размытые.

Поэтому правильным размещением робота над линией является то, когда датчик расположен на границе чёрной и белой линии.

Релейный регулятор

Пусть S – это начальное значение, полученное с датчика при калибровке робота. Если текущее значение уровня отражённого света меньше S, то это означает, что датчик сильнее сместился на чёрную линию и его надо вернуть обратно, то есть робот должен двигаться влево. Если же текущее значение стало меньше S, то робот наоборот сместился ближе к белой линии и его надо вернуть на чёрную линию, то есть он должен двигаться вправо.

Реализация алгоритма выглядит следующим образом:

Настройки блока (1):

Настройки блока (2):

Такой регулятор позволяет роботу пройти по чёрной линии, однако на сильно изогнутой линии (на слаломе в случае «Биатлона») нет плавности движения и робот постоянно теряет скорость. Поэтому данное решение в соревнованиях не применяют.

Пропорциональный регулятор

Данный регулятор позволяет применить к мощностям робота управляющее воздействие, которое вычисляется по формуле:

UP – управляющее воздействие, k – коэффициент управляющего воздействия, S – начальное значение уровня отражённого света (эталон, полученный до старта робота), Light – текущее значение уровня отражённого света.

Задача достижения плавности движения робота на максимально возможной скорости сводится к верному подбору коэффициента k управляющего воздействия.

Управляющее воздействие UP также позволяет роботу поворачивать то влево, то вправо. Если датчик сместился на чёрную линию, то разность

Light – S < 0, а если на белую, то Ligth — S > 0. То есть, мощность одного мотора увеличиваем на UP, а другого уменьшаем.

Таким образом,

motorC = motor + UP

motorB = motor – UP

Реализация алгоритма:

Пропорциональный регулятор для робота с двумя датчиками освещенности.

Управляющее воздействие в случае пропорционального регулятора с использованием двух датчиков вычисляется по формуле:

где S1 – значение левого датчика освещённости, S2 – значение правого датчика освещённости. Напомним, что вместо датчиков освещённости можно использовать датчики цвета, работающие в режиме датчиков освещённости.

Однако, датчики при калибровке могут иметь разные начальные значения, поэтому формулу можно улучшить таким образом:

где Sleft – начальное значение левого датчика, а Sright – начальное значение правого датчика